工艺干燥、制药、食品加工、工业气源等生产过程需要大量不同干燥程度的压缩空气。目前主要采用冷冻干燥或者固体吸附干燥技术，前者需要采用冷冻机组，后者需要高品位热源（一般大于100oC，通常采用电加热）实现吸附再生过程，需要消耗大量电能。 本技术利用空压机废热驱动溶液除湿再生循环，实现一种无需额外电能驱动的压缩空气溶液除湿干燥技术，满足了对不同干燥程度压缩空气的需求。 干燥空气含湿量能达到0.1g/kg以下（常压露点-40oC以下），相对常规压缩空气冷冻干燥系统，不需要电驱动制冷除湿机组，节约大量电能。已获国家发明专利授权2件。

本项目团队依靠在压缩机领域的深厚基础，历时数年，解决了加氢站压缩机多场耦合工作过程、典型故障失效机理等关键科学问题，突破了增压过程无损重构方法、多维信号多向诊断机制等关键技术，研发了加氢站压缩机全生命周期健康管理系统、便携式故障诊断仪等核心产品，攻克了传统监测方法在高压氢环境下无法应用的难题。 一、项目进展 创意计划阶段 二、负责人及成员 姓名 学院/所学专业 入学/毕业时间 李雪莹 能源与动力工程/动力工程及工程热物理 2020年9月 计泽灏 能源与动力工程/动力工程 2020年9月 任鹏 能源与动力工程/动力工程及工程热物理 2020年9月 三、指导教师 姓名 学院/所学专业 职务/职称 研究方向 彭学院 能源与动力工程/压缩机工程系 教授 加氢站压缩机及其关键技术 贾晓晗 能源与动力工程/压缩机工程系 教授 加氢站压缩机及其关键技术 陈立斌 创新创业学院 副院长 四、项目简介 在能源安全和“双碳”战略目标的双重背景下，党中央明确提出，为加快能源清洁化、智能化和电动化转型，“十四五”将推动构建以可再生能源为主体的能源体系，氢能成为当前能源技术创新的热点领域。加氢站作为氢能供应体系的重要组成部分和交通用氢能的关键基础设施。 本项目团队依靠在压缩机领域的深厚基础，历时数年，解决了加氢站压缩机多场耦合工作过程、典型故障失效机理等关键科学问题，突破了增压过程无损重构方法、多维信号多向诊断机制等关键技术，研发了加氢站压缩机全生命周期健康管理系统、便携式故障诊断仪等核心产品，攻克了传统监测方法在高压氢环境下无法应用的难题。不但为加氢站了提供多种增压设备故障诊断与健康管理的解决方案，更大幅度简化了增压设备监测诊断步骤和流程，缩短了人工巡检的时间成本，充分提高加氢站运行效率。 作为“科技冬奥”的重要环节，已经实现国内首套加氢站隔膜压缩机健康管理系统的设计、安装和调试工作，在冬奥会加氢站中完成服役； 便携式故障诊断仪多次在加氢站、压缩机厂、研究所使用，准确诊断故障；往复压缩机全生命周期健康管理系统应用于新疆油田呼图壁储气库（中国最大天然气储气库），完成线上测试。

H-500-Ⅰ型空气压缩机是在原国产机器（原机型号H500-6.5/0.97）的基础上的改型机器，是为4500m3/h空分装置配套用的空气压缩机；改造后的机组克服了老机组长期存在的能耗高、流量达不到设计要求，尤其是机组振动大，停机检修频繁的老大难问题。 该机组的改造所采用的技术为王尚锦教授发明的“全可控涡”三元叶轮转子技术，改造设计中保持了原有机

工艺干燥、制药、食品加工、工业气源等生产过程需要大量不同干燥程度的压缩空气。目前主要采用冷冻干燥或者固体吸附干燥技术，前者需要采用冷冻机组，后者需要高品位热源（一般大于100oC，通常采用电加热）实现吸附再生过程，需要消耗大量电能。 本技术利用空压机废热驱动溶液除湿再生循环，实现一种无需额外电能驱动的压缩空气溶液除湿干燥技术，满足了对不同干燥程度压缩空气的需求。 燥空气含湿量能达到0.1g/kg以下（常压露点-40oC以下），相对常规压缩空气冷冻干燥系统，不需要电驱动制冷除湿机组，节约大量电能。

本项目提供压缩机全生命周期管理系统，建立模块化、集成化数据环境，面向于往复压缩机、隔膜压缩机，服务于石油化工、加氢站、储气库、船舶动力等行业主要包括： 设计规划阶段——压缩机整体方案设计，压缩机结构形式设计，核心部件材料遴选分析，启/停流程设计，安全控制策略设计等； 运行工作阶段——压缩机运行数据实时采集、远程动态展示，核心部件状态监测与故障诊断，监测诊断一体式/分体式硬件与软件系统开发； 检修维护阶段——零部件维修预警、寿命预测，可视化维修方案、维修模型、维修视频，压缩机及其辅助系统、零备件信息数字化管理平台。 关键技术一：压缩机性能计算技术与选型设计技术 基于 Windows 平台，遵循结构化、模块化原则，采用 QT 框架、C++语言编制交互设计软件，可实现往复压缩机物性计算、热力计算、动力计算、设计校核复算、平衡计算、产品系列化自动匹配、多工况计算七项功能于一体，可实现往复压缩机机组设计计算、选型、零部件管理一体化功能。现阶段已授权发明专利 1 项，软件著作权 1 项。 关键技术二：压缩机状态监测与故障诊断技术及设备 针对压缩机核心零部件构建相应状态监测方案与故障诊断方法，包括：①集成气缸内热力过程特征和阀片声发射信号的诊断方法，基于气阀声发射信号获得气阀故障的特征参数和反映故障程度的量化指标，诊断不同类型气阀故障；②基于活塞杆应变重构 pV 图方法的往复压缩机气阀无损故障诊断方法，基于活塞杆应变重构压力-容积图（p-V图）的无损监测方法，为传统侵入式方法破坏气缸完整性带来安全隐患的问题提供解决方案；③十字头销磨损、活塞杆松动的故障诊断方法，对不同程度十字头销磨损、活塞杆松动故障进行模拟试验，对比时频域分析研究十字头销磨损、活塞杆松动的故障机理、声发射信号和振动信号特征，提取故障特征识别故障程度；④基于压缩机内油-气压力“伴随”关系，国内外首次提出了集成声发射与油-气压无损监测的隔膜压缩机状态监测新方法，进一步根据油-气压力“伴随”关系的失调追溯故障根源；⑤基于增量式编码器的往复压缩机轴系扭振测试方法，基于增量式编码器构建了往复式压缩机扭振测试系统，为传统方法在现场实际应用时难于实施提出解决方案；⑥压缩机气流脉动和振动模态分析技术，隔振结构设计、管路结构设计，提供机组振动测试、诊断以及改进方案。 本项关键技术现阶段已授权国内发明专利 4 项，申请国际专利 2 项、国内发明专利10 项；应用于中海油海洋平台天然气压缩机；开发压缩机故障诊断仪，已在某加氢站压缩机调试中成功检测出气阀泄漏、膜片运动失效、活塞环磨损、溢油阀阀芯磨损等严重故障。 关键技术三：压缩机数据共享与健康管理云平台 构建压缩机及其辅助系统、零备件信息数字化管理平台；构建压缩机热力-动力-应力-寿命分析模块，集成监测数据评价机组运行状态；基于故障诊断技术，建立机组现场监测数据与健康/故障状态信息实时共享平台，打破机组现场与远程管理者之间的技术壁垒；实现压缩机核心部件维修预警、寿命预测，交互 GUI 界面集成可视化压缩机维修维保手册、指导视频、三维模型；压缩机全生命周期管理，显著提高运维效率和管理水平。

在十二五国家科技支撑计划课题支持下，针对高速无油节能环保型流体机械行业的前沿技术、共性技术及专门技术，取得了如下主要科研成果：高速直驱电机、电磁轴承与转子耦合技术；基于三维非定常流动理论与现代全局优化方法相结合的流体机械先进节能环保设计技术；研制出高速电机驱动、电磁轴承支撑的离心压缩机的技术验证台位，关键技术达到国际先进水平。

本项目团队发明的单螺杆压缩机全悬浮啮合包络理论、设计方法和制造工艺；单螺杆压缩机的星轮-螺杆啮合副基本无磨损发生，实现了悬浮啮合过程，彻底解决了星轮磨损这一世界性难题。

空气压缩机为燃料电池提供电化学反应所需要的氧气。将空气压缩到一定压 力（通常在 1.3~3.2bar 范围内），有助于提高电堆的功率密度，是燃料电池汽 车降低成本、实现轻量化的重要技术手段。为了满足燃料电池最高功率，空气压 缩机应保证足够的流量，根据估算，100 kW 的电堆功率大约需要 300 Nm3·h-1 的空气。除了保证一定的压力和流量外，燃料电池车用空气压缩机还需要满足其 他要求，包括压缩气体绝对无油，以防止催化剂中毒；压缩效率高，减少压缩气 体需要的额外能耗；能对启停、加速、刹车、制冷、供热等各种工况变化做出准 确、快速响应，具有良好的工况适应性；在极端工况和气候条件下，具有良好的 可靠性和长久的寿命，且维护简便；结构紧凑，体积小，重量轻。对效率、可靠 性、工况与环境的适应性、体积与重量等指标的综合要求，特别是对压缩气体绝 对无油的严格限制，使得燃料电池车用空气压缩机的产品研发及其产业化存在不 可忽视的技术挑战。

针对当前车用无油涡旋空压机加工精度要求高、涡旋盘容易磨损的问题，本 项目团队提出了水冷无油涡旋空气压缩机技术。采用这一技术可将涡旋盘最高温 度控制在 120℃以内，从而降低动静盘热变形，提高压缩机的可靠性与效率。

本项目的核心成果之一是全曲面啮合副齿面，其星轮齿侧面如图 2 所示，采用曲线成型，可自由控制啮合区域大小，改善流体动力润滑特性。 本项目的核心成果之二是通过多齿耦合时的全曲面分配，实现悬浮啮合，星 轮齿与螺杆齿槽的零接触，星轮齿在工作过程中不发生磨损。同时保证泄漏间隙 小，流体动力润滑性能好。多齿耦合实现全悬浮啮合的原理如图 3 所示，通过控 制齿侧的接触区域大小、位置，实现多齿之间的动力润滑油膜耦合，最终实现油膜力驱动星轮转动，螺杆与星轮齿全程不接触。